CN103343258B - 热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，铜管成份包括铜基和合金金属；所述的合金金属的重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，所述的混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:（0.15-0.2）:（0.4-0.5）；本工艺方法采用上引连铸-轧制-拉拔代替了传统工艺中的铸造、锯切、加热、挤压、酸洗等工艺过程，因而大大减化了工艺流程，实现了连续生产周期短，效率高，制备的铜管含氧量为无氧铜级，晶粒细小，机械强度、耐高温、耐腐蚀以及耐磨性能相比与现有的铜管有大幅度提高。

Description

热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法

技术领域

本发明涉及管材领域，具体为一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法。

背景技术

目前，随着电站、船舶、制冷行业的发展，需要寻找一种耐腐蚀性能和加工性能良好的换热管材料。原来使用的换热管多为黄铜管、高镍白铜管或紫铜管。但黄铜管，高镍白铜管和紫铜管都有其不足，现分述如下：黄铜管成本比较低，但是耐腐蚀性能及加工性能没有白铜管好，一般三年左右便要维修更换一批。电站、船舶停产停航维修成本大，制冷停机维修影响大。高镍白铜管：耐腐蚀性能较好，但镍含量高，材料成本大，加工性能较差。随着有色金属材料价格大幅上升。电站，船舶，尤其是制冷行业对成本增加难以承受。紫铜管：加工性能比较好，但是耐腐蚀性能比较差。此外现有的热交换器铜管的机械强度不足，随着制冷剂的运转压力的增大，需要加厚铜管的璧厚，其一大大提高了成本，其二也必然影响导热性能。目前生产铜合金管，主要方法为挤压法，采用其它方式如斜铸穿孔，连铸轧拉很少，挤压工序生产过程为：先配料铸圆坯，经锯切、分拣、加热、挤压、酸洗、然后经轧制、拉伸至成品管。其缺陷在于：(1)生产工序繁杂，辅助设施多，维修模具费用高，占地面积大，人员要求多，素质要求高；(2)投资规模大，少则上亿元，多则几亿元；(3)圆坯二次加热，需挤压成型，挤压筒、针，工作前需预热等能耗高；(4)搅拌、铸锭、锯切、加热、压余、脱皮、酸洗等工序金属损耗大，成品率低，供坯成品率<90%；(5)采用单体炉半连续铸造或分体炉熔铸，生产连续性差，效率低；(6)锌烧损大，搅拌，二次加热，挤压及润滑等烟雾大，污染严重；(7)管坯偏心大，影响后续冷加工，尤其是正向挤压大口径薄壁黄铜管的挤压成品率为40%～60%。

发明内容

本发明的目是提供一种生产工序简单且连续性强、成品率高的热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，其制备的产品耐腐性强、机械强度高且加工性能好。

本发明具体技术方案是：铜管成份包括铜基和合金金属；所述的合金金属的重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，所述的混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:（0.15-0.2）:（0.4-0.5）；制备步骤如下：

（1）、将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1150-1180℃，上引温度为1120-1140℃；牵引速度为400-450mm/min，铜液液位高度为360-380mm；结晶器插入熔液深度为20-22mm；结晶器进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃；铜液上的木炭覆盖厚度为22-25cm；管坯的含氧量应控制在10ppm以下；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入由氩气保护的感应加热炉预热至340-350℃，然后进入三辊行星轧机连续轧制得到毛坯管，轧制温度控制为750-760℃，轧制速度18-20m/min；

（3）、将毛坯管快速冷却后通过拉拔机冷拔成型，拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm。

以上方案还包括：

所述的铜管成份还包括碳化硅，其重量百分比为0.008-0.009%；所述的碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。

所述的铜管成份还包括四针状氧化锌晶须，其重量百分比为0.010-0.012%，所述的四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、根部直径为1-1.5μm的四针状氧化锌晶须，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。

所述的潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉采用W型熔沟；使铜液在熔沟内形成定向高速流动，有充分的热交换，使各种高熔点的氧化渣及已蚀损的石英砂随液流流出熔沟。加速熔铜内铜液的流动，这不仅可以缩短熔炼时间，提高电炉生产能力，而且降低了熔沟内的温度，避免熔渣堵塞，从而提高炉子的工作寿命，并且实现了节能降耗30%以上。

本工艺方法采用上引连铸-轧制-拉拔代替了传统工艺中的铸造、锯切、加热、挤压、酸洗等工艺过程，因而大大减化了工艺流程，实现了连续生产周期短，效率高，金属损耗大大降低，能耗少，供坯成品率可达99%，降低直接成本60%以上。本工艺铜合金熔化冷却结晶成型是垂直状态，铜合金熔液对石墨模具压力分布均匀，整个断面冷却均匀，半凝固也基本一致，即管坯径向颗粒分布均匀，内部组织致密，无疏松，气孔，表面光滑无氧化裂纹，冷加工性能优于挤压坯。同时通过添加合金金属组分以及增强粒子，具有以下作用：其一、通过增加锡、镁、锆、银等金属能够大幅度提高铜管的机械强度，比如抗拉强度，此外银具有良好的杀菌、抗菌效果，能够抑制细菌、病毒、藻类和真菌的繁殖。其二、通过增加锆、钛、镍、铌等可以提高铜管的耐酸碱腐蚀性、耐高温腐蚀性及焊接性能，此外锆、铌还可以用做冶金工业的“维生素”， 高温下容易硫、氮 、氧、碳直接化合，与具有脱氧、除氮、去硫的作用，降低铜管中氧、氮、硫的含量；钛、锆以及铌三者容易结合，提高铜管的强度以及抗压、耐磨、耐腐蚀性能；且钛、镍结合后具有“记忆”的本领，而且记忆力很强，提高铜管的韧性。其三、稀土金属钇、锫和镧在铸造中起脱氧脱硫作用，能使两者的含量都降低到0.001%以下，并改变夹杂物的状态，细化晶粒，从而改善铜管的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀和抗氧化性等。其四、增强粒子碳化硅可以作为铸造的脱氧剂，并且由于化学性能稳定、导热系数高、耐磨性能好，作为增强粒子添加到铜管中能够提高耐磨性能。其五、增强粒子四针状氧化锌晶须的立体的晶型结构分散在基体中能起骨架作用，独特的三维空间结构使其与基体的抓着力更大，增强效果更显著，使抗拉强度明显增加，而且横向和纵向抗拉强度数值基本相同，各向同性地加强基体材料的机械性能，显著地改善基体强度和加工性能。本发明制备的铜管含氧量为无氧铜级，晶粒细小，机械强度、耐高温、耐腐蚀以及耐磨性能相比与现有的铜管有大幅度提高。

具体实施方式

实施例1

一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，铜管成份按重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；制备步骤如下：

（1）、将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1150-1180℃，上引温度为1120-1140℃；牵引速度为400-450mm/min，铜液液位高度为360-380mm；结晶器插入熔液深度为20-22mm；结晶器进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃；铜液上的木炭覆盖厚度为22-25cm；管坯的含氧量应控制在10ppm以下；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入由氩气保护的感应加热炉预热至340-350℃，然后进入三辊行星轧机连续轧制得到毛坯管，轧制温度控制为750-760℃，轧制速度18-20m/min；

（3）、将毛坯管快速冷却后通过拉拔机冷拔成型，拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。

实施例2

一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，铜管成份按重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，碳化硅0.008-0.009%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.15:0.4；碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒，制备步骤如下：

（1）、将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1150-1180℃，上引温度为1120-1140℃；牵引速度为400-450mm/min，铜液液位高度为360-380mm；结晶器插入熔液深度为20-22mm；结晶器进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃；铜液上的木炭覆盖厚度为22-25cm；管坯的含氧量应控制在10ppm以下；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入由氩气保护的感应加热炉预热至340-350℃，然后进入三辊行星轧机连续轧制得到毛坯管，轧制温度控制为750-760℃，轧制速度18-20m/min；

（3）、将毛坯管快速冷却后通过拉拔机冷拔成型，拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。

实施例3

一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，铜管成份按重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，四针状氧化锌晶须0.010-0.012%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、根部直径为1-1.5μm的四针状氧化锌晶须，制备步骤如下：

（1）、将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1150-1180℃，上引温度为1120-1140℃；牵引速度为400-450mm/min，铜液液位高度为360-380mm；结晶器插入熔液深度为20-22mm；结晶器进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃；铜液上的木炭覆盖厚度为22-25cm；管坯的含氧量应控制在10ppm以下；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入由氩气保护的感应加热炉预热至340-350℃，然后进入三辊行星轧机连续轧制得到毛坯管，轧制温度控制为750-760℃，轧制速度18-20m/min；

（3）、将毛坯管快速冷却后通过拉拔机冷拔成型，拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。

实施例4

一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，铜管成份按重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，碳化硅0.008-0.009%，四针状氧化锌晶须0.010-0.012%，余料为铜，铜优选含量≥99.95%的阴极铜，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:0.2:0.5；碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒；四针状氧化锌晶须优选长度为10-12μm、根部直径为1-1.5μm的四针状氧化锌晶须，制备步骤如下：

（1）、将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1150-1180℃，上引温度为1120-1140℃；牵引速度为400-450mm/min，铜液液位高度为360-380mm；结晶器插入熔液深度为20-22mm；结晶器进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃；铜液上的木炭覆盖厚度为22-25cm；管坯的含氧量应控制在10ppm以下；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入由氩气保护的感应加热炉预热至340-350℃，然后进入三辊行星轧机连续轧制得到毛坯管，轧制温度控制为750-760℃，轧制速度18-20m/min；

（3）、将毛坯管快速冷却后通过拉拔机冷拔成型，拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm；机油可以选择45#机油。

实施例1-4分别制备的铜管平均晶粒尺寸在0.02-0.03mm，以直径为10mm的铜管为例抗拉强度如下（MPa）：实施例1为362，实施例2为426，实施例3为524，实施例4为559；通过以上数据可知，实施例1-4制造的铜管的抗拉强度比现有性能较为优良的热交换器铜管200-300MPa还要高，其中实施例4制备的铜管的机械性能最佳，由于添加了SiC颗粒和四针状氧化锌晶须，二者在铜基体中分布弥散、均匀，大大增强了铜管的抗拉性能；上述抗拉强度的提高导致本发明铜管的耐压强度相应提高，经实验本发明制备的铜管的爆破压力均大于20 MPa，断后伸长率也均大于16%。通过在同等条件下分别在淡水、海水以及蒸汽冷凝水做耐腐蚀实验，本发明制备的通过的腐蚀速度还不到常规铜管(比如C71500)腐蚀速度的10%。由于二者两种增强粒子SiC颗粒和四针状氧化锌晶须均具有较佳的耐磨性，经过摩擦试验证明，铜管磨损率较现有的铜管大大降低。

Claims (4)

1.一种热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，其特征在于：所述的铜管成份包括铜基和合金金属；所述的合金金属的重量百分比如下：镁0.5-0.6%，银0.08-0.09%，锡0.2-0.4%，锆0.012-0.014%，铌0.012-0.014%，镍0.05-0.06%，钛0.005-0.008%，混合稀土0.02-0.04%，所述的混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:（0.15-0.2）:（0.4-0.5）；制备步骤如下：

（1）、将铜料以及各合金金属分为多份，按比例间隔均匀投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1150-1180℃，上引温度为1120-1140℃；牵引速度为400-450mm/min，铜液液位高度为360-380mm；结晶器插入熔液深度为20-22mm；结晶器进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃；铜液上的木炭覆盖厚度为22-25cm；管坯的含氧量应控制在10ppm以下；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入由氩气保护的感应加热炉预热至340-350℃，然后进入三辊行星轧机连续轧制得到毛坯管，轧制温度控制为750-760℃，轧制速度18-20m/min；

（3）、将毛坯管快速冷却后通过拉拔机冷拔成型，拉拔时以机油、纳米二硫化钼、纳米聚四氟乙烯按重量比1:0.08:0.12混合作为润滑剂，其中纳米二硫化钼的粒径为20-30nm，纳米聚四氟乙烯的粒径为60-80nm。

2.根据权利要求1所述的热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，其特征在于：所述的铜管成份还包括碳化硅，其重量百分比为0.008-0.009%；所述的碳化硅选用粒度为8-10μm的α-SiC颗粒，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，其特征在于：所述的铜管成份还包括四针状氧化锌晶须，其重量百分比为0.010-0.012%，所述的四针状氧化锌晶须长度为10-12μm、根部直径为1-1.5μm的四针状氧化锌晶须，其在步骤（1）中随合金金属投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉中。

4.根据权利要求1或2所述的热交换器用高强度耐腐蚀铜管的制备方法，其特征在于：所述的潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉采用W型熔沟。